مناقشة مشكلة تسييل الغاز أثناء تركيب قواطع الدائرة ذات الخزان في المناطق الباردة القاسية

تفسير تقني لقواطع الدائرة الغازية سلفور هكسافلوريد (SF₆) وتحديات تسييل الغاز

تستخدم قواطع الدائرة الغازية SF₆ غاز السلفور الهكسافلوريده المعروف بخصائصه الممتازة في إطفاء القوس الكهربائي والعزل كوسيلة لإطفاء القوس، وهي مطبقة على نطاق واسع في الأنظمة الكهربائية. هذه القواطع مناسبة للعمليات المتكررة والسيناريوهات التي تتطلب انقطاعاً عالي السرعة. في الصين، تُستخدم قواطع الدائرة الغازية SF₆ بشكل أساسي لمستويات الجهد 110 كيلوفولت وما فوق. ومع ذلك، بسبب الخصائص الفيزيائية لغاز SF₆، قد يتجمد تحت ظروف درجة حرارة وضغط معينة، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة غاز SF₆ في خزان قاطع الدائرة. عندما تنخفض الكثافة إلى مستوى معين، سيقوم قاطع الدائرة بإطلاق قفل الحماية. في بعض المناطق في الصين، مثل منطقة منغوليا الداخلية، شمال شرق الصين، سنجان، وتبت، حيث يمكن أن تصل درجة الحرارة المحيطة إلى -30 درجة مئوية أو أقل في الشتاء، يحدث ظاهرة القفل الناجمة عن تجمد غاز SF₆ من حين لآخر.

وصف موجز لتجمد غاز SF₆

غاز SF₆ له استقرار كيميائي شديد. إنه غاز بلا لون وبلا رائحة وبلا طعم وغير قابل للاشتعال عند درجة حرارة وضغط طبيعي، ويتميز بخصائص عزل وإطفاء قوس ممتازة.

درجات الحرارة الحرجة للغاز تشير إلى أعلى درجة حرارة يمكن أن يصبح فيها الغاز سائلاً. عندما تكون درجة الحرارة أعلى من هذا القيمة، لا يمكن تجمد الغاز مهما كان الضغط المطبق.

بالنسبة للغازات "الدائمة" مثل الأكسجين، النيتروجين، الهيدروجين، والهيليوم، فإن درجات الحرارة الحرجة لها أقل من -100 درجة مئوية، لذا لا يحتاج الأمر إلى النظر في تجمد الغاز عند درجات الحرارة المحيطة. غاز SF₆ مختلف؛ درجة الحرارة الحرجة له هي 45.6 درجة مئوية. يمكن أن يحافظ على حالته الغازية فقط عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 45.6 درجة مئوية. عند درجات الحرارة المحيطة، يمكن تجمده عندما يصل الضغط الخارجي إلى قيمة معينة. لذلك، بالنسبة للمعدات المملوءة بغاز SF₆، يجب النظر في مشكلة تجمد الغاز.

منحنى معلمات حالة غاز SF₆ موضح في الشكل 1. تحت شرط كثافة غاز ثابتة ρ، كلما انخفضت درجة الحرارة، انخفض الضغط الغازي بشكل متناسب. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى نقطة التجمد A المقابلة لهذه الكثافة الغازية، يبدأ الغاز بالتجمد، وتقل الكثافة الغازية بعد ذلك.

الوضع الفعلي على الأرض

تقع محطة تحويل شيمنغ في تشوكو وولا سومو، مدينة خيلينهوت، منطقة خيلينغول، منطقة منغوليا الداخلية ذاتية الحكم. بارتفاع 914 متراً وخط عرض 44.2 درجة، لديها فترة تسخين تصل إلى سبعة أشهر وتصنف كمنطقة برد شديد في الصين. في فناء مرشح التيار المتردد بالمحطة، تم تركيب 20 مجموعة من قواطع الدائرة الغازية 3AP3 DT الصناديقية المصنعة بواسطة سيمنس هانغتشو، بجهد اسمي 550 كيلوفولت. تأتي هذه القواطع مزودة بمتابعات كثافة تمتلك وظيفة تعويض درجة الحرارة، وتظهر مؤشراتها تغير الكثافة الغازية بدلاً من تغير الضغط. المعلمات الرئيسية لقواطع الدائرة موضحة في الجدول 1.

خلال عملية التركيب، تم شحن الغاز بدقة وفقًا للمعلمات المقدمة من قبل الشركة المصنعة. تم ضبط الضغط المحدد للشحن الغازي على 0.8 ميجاباسكال، والضغط المنبه على 0.72 ميجاباسكال، والضغط القاطع على 0.7 ميجاباسكال (ضغط مقياس عند 20 درجة مئوية). منحنى معلمات حالة غاز SF₆ موضح في الشكل 2. كما يمكن رؤيته من الشكل، عندما يكون الخزان محكم الإغلاق ولا يوجد تسرب للغاز، سيتم تجمد الغاز داخل الخزان عندما تنخفض درجة الحرارة إلى -18 درجة مئوية؛ سيتم تشغيل المنبه عندما تصل درجة الحرارة إلى -21 درجة مئوية؛ وسيتم قطع قاطع الدائرة عندما تنخفض درجة الحرارة إلى -22 درجة مئوية. الوضع الفعلي على الأرض موضح في الشكل 3.

الوضع الفعلي على الأرض متوافق مع النتائج المستخرجة من منحنى معلمات الحالة.

وفقًا لحالة الإمداد بالمواد على الأرض وتقدم تركيب المعدات، تم إكمال تركيب قواطع الدائرة الصناديقية، وشفط الفراغ، وتعبئة الغاز في نهاية نوفمبر. تم تجميع الاختبارات الأولية للمعدات والتشغيل في الأيام العشرة الأولى من ديسمبر. في هذا الوقت، انخفضت درجة الحرارة المحيطة إلى أقل من -22 درجة مئوية، وتم قفل جميع قواطع الدائرة المثبتة، مما جعل من المستحيل إجراء اختبارات تسليم المعدات لقاطع الدائرة بشكل طبيعي وبالتالي تأثير على نقاط الجدول الزمني للبناء بأكملها.

الحلول

نظرًا للظواهر المذكورة أعلاه للقفل على الأرض، تم اقتراح الحلول التالية:

تخفيض كمية شحن الغاز

يمكن رؤية ذلك من خلال منحنى خصائص معلمات غاز SF₆ أنه عندما تنخفض كمية شحن الغاز داخل الخزان، تنخفض درجة حرارة التجمد، وتتناسب درجة حرارة القفل أيضًا. على سبيل المثال، عندما يتم ضبط الضغط المحدد لشحن الغاز على 0.56 ميجاباسكال، تكون درجة حرارة التجمد -28 درجة مئوية، ودرجة حرارة القفل هي -32 درجة مئوية. في هذا الوقت، تكون درجة حرارة التجمد أقل من درجة الحرارة المحيطة، ولن يكون هناك ظاهرة قفل. ومع ذلك، بعد تخفيض كمية شحن الغاز، ستنخفض أداء إطفاء القوس والعزل لقاطع الدائرة. تحتاج الطرق التي تتضمن تغيير الحالة النهائية للمعدات وتؤثر على أدائها إلى دراسة شاملة وتجربة من قبل الوحدة المصممة والشركة المصنعة قبل التنفيذ.

إذا لم يكن هناك نية لتغيير الحالة النهائية للمعدات، أي تخفيض كمية شحن الغاز إلى قيمة معينة (مثل 0.6 ميجاباسكال) قبل اختبار التسليم وإعادة شحن كمية الغاز إلى القيمة المحددة بعد انتهاء الاختبار والتشغيل، فقد يبدو هذا الحل ممكنًا، ولكن في الواقع ليس كذلك. أولاً، بعد تخفيض كمية شحن الغاز، يتدهور أداء العزل لقاطع الدائرة. بدون توضيح دقيق، هناك احتمال أن يتم اختراق قاطع الدائرة أثناء اختبار تحمل الجهد. ثانيًا، حتى لو تم المرور بالاختبار بنجاح، فإن نتائج الاختبار لا تملك قيمة مرجعية. اختبار تسليم المعدات هو فحص لجودة الإنتاج من الشركة المصنعة وجودة التركيب من المثبت، ويجب أن يتم بعد اكتمال تركيب المعدات تمامًا. وعملية شحن الغاز هي خطوة واضحة في عملية تركيب المعدات.

استخدام الغاز الممزوج

حالياً، في الداخل والخارج، هناك ممارسات لتقليل درجة حرارة التجمد عن طريق خلط نسبة معينة من الغازات الأخرى (مثل CF₄، CO₂، و N₂) في غاز SF₆. ومع ذلك، لا يمكن أن تصل خصائص العزل وإطفاء القوس للغاز الممزوج إلى مستوى غاز SF₆ النقي. تحت نفس ضغط شحن الغاز، سيكون قدرة قاطع الدائرة المعبأ بالغاز الممزوج على قطع التيار حوالي 20% أقل من قاطع الدائرة المعبأ بغاز SF₆ النقي. إذا كانت نفس خصائص العزل مطلوبة، يجب أن يكون ضغط شحن الغاز الممزوج أعلى من غاز SF₆ النقي.

على سبيل المثال، غاز SF₆/N₂ الممزوج، يمكن استخدام صيغة حسابية كالتالي:

P_m=P_SF6(100/x%)^0.02

في الصيغة، Pm هو ضغط شحن الغاز الممزوج لتحقيق نفس خصائص العزل،P_SF6 هو ضغط شحن غاز SF₆ النقي، وx% هو نسبة محتوى غاز SF₆ في الغاز الممزوج. يمكن رؤية من الصيغة أعلاه أن غاز SF₆/N₂ الممزوج الذي يحتوي على 20% من غاز SF₆ يحتاج إلى ضغط شحن يبلغ حوالي 1.4 مرة ضغط غاز SF₆ النقي. بالنسبة لقاطع الدائرة على الأرض، يحتاج ضغط شحن الغاز إلى الوصول إلى 1.12 ميجاباسكال، مما يفرض متطلبات جديدة على كامل هيكل قاطع الدائرة.

تركيب أجهزة التدفئة

العامل الخارجي الرئيسي لتجمد غاز SF₆ هو أن درجة الحرارة المحيطة أقل من درجة حرارة التجمد. إذا تم تركيب جهاز تدفئة حول الخزان لتسخين الخزان وزيادة درجة حرارته، يمكن حل مشكلة التجمد.

تستخدم قواطع الدائرة الصناديقية من سيمنس هانغتشو متابعاً سويسرياً trafag لكثافة الغاز، والذي يمتلك وظيفة تعويض درجة الحرارة ومؤشره يعكس تغير الكثافة الغازية وليس تغير الضغط. مبدأ المؤشر لهذا المتابع لكثافة الغاز هو مراقبة كثافة الغاز عن طريق مقارنة الفرق في الضغط بين الغاز في خزان قاطع الدائرة والغاز القياسي الذي يحمله المتابع لكثافة الغاز. كما هو موضح في الشكل 7، عندما تتغير درجة الحرارة المحيطة ضمن نطاق أعلى من درجة حرارة التجمد، يتغير ضغط الغاز في الغرفتين الغازيتين في الوقت نفسه، يكون الفرق في الضغط صفرًا، لا يعمل المفصل التوسعي، ولا يتحرك مؤشر العداد. عندما يتبخر الغاز في الخزان أو يحدث تسرب، يزداد ضغط الغاز القياسي نسبيًا، يعمل المفصل التوسعي، مما يسبب حركة مؤشر العداد.

عندما تنخفض درجة الحرارة المحيطة إلى درجة حرارة التجمد، يتم تفعيل جهاز التدفئة، وترتفع درجة حرارة الخزان بالتالي. هذا يخلق فرق درجة حرارة بين الغاز داخل الخزان والغاز داخل المفصل التوسعي، مما يؤدي إلى انحراف في مؤشر العداد وعدم قدرته على عكس الحالة الفعلية للغاز داخل الخزان بدقة.

الخاتمة

يصف هذا المقال بشكل موجز عملية تجمد غاز SF₆. فيما يتعلق بمشكلة تجمد غاز SF₆ التي حدثت أثناء تركيب قواطع الدائرة الصناديقية في فناء مرشح التيار المتردد في محطة تحويل شيمنغ، تم اقتراح ثلاثة حلول ونقاشها: تخفيض كمية شحن الغاز، واستبدال الغاز الممزوج، وإضافة أجهزة التدفئة. من خلال التحليل والمقارنة، تم العثور على أن تخفيض كمية شحن الغاز واستبدال الغاز الممزوج سيؤثران على خصائص العزل وإطفاء القوس للغاز، لذا فإنهما غير مناسبين. الطريقة التي تستخدم جهاز تدفئة لتمنع تجمد الغاز، رغم أنها ستسبب خطأ معين في مؤشر العداد، إلا أنها يمكن أن تضمن تقدم اختبار تسليم المعدات بشكل سلس، لذا فهي حل أكثر ملاءمة.